Das steigende Interesse an Femtosekundenlasern für das Schneiden in der Medizintechnik erklärt

Abbildung 1. Relativer Systemumsatz für Coherent Rohrschneidemaschinen auf Basis von Faserlasern und Femtosekundenlasern.

Faserlaser dominieren seit einigen Jahren Schneid- und Bohrapplikationen in der Medizintechnik, da sie relativ kostengünstig sind, eine skalierbare Leistung haben und sehr zuverlässig arbeiten. Femtosekundenlaser bieten einen klaren Vorteil in Bezug auf die Schnittqualität, aber lange Zeit sicherten sie sich nur einen kleinen Anteil am Markt. Aber das ändert sich nun ziemlich schnell, wie die Verkaufszahlen für die Rohrschneidsysteme von Coherent zeigen, die in der Abbildung zusammengefasst sind. Lassen Sie uns einen Blick darauf werfen, was dieses dramatische Wachstum des Marktanteils im Vergleich zu Faserlasern verursacht hat.

Femtosekundenlaser – Bessere, feinere Schnitte

Die einzigartige Kombination von Vorteilen, die Femtosekundenlaser (fs) für die Materialbearbeitung bieten, ist seit langem bekannt. Bei herkömmlichen Lasern, wie z. B. Faserlasern, ist der größte Teil der Materialinteraktion photothermisch, was zu einer Wärmeeinflusszone (HAZ) führt. Bei Präzisionsanwendungen schränkt dies die Mindestgröße von Elementen ein, die sauber bearbeitet werden können, ohne zu schmelzen. Es kann zu inakzeptablen funktionellen oder kosmetischen Schäden führen und erfordert häufig eine mechanische Nachbearbeitung (z. B. Entgraten, manuelles Polieren oder Reiben). Im Gegensatz dazu liefert der fs-Laser um Größenordnungen kürzere Pulse mit viel höherer Spitzenleistung, die das Material sofort verdampfen, bevor die Wärme in das Teil eindringen kann. Dieses kältere und präzisere Schneiden ermöglicht die Erstellung kleinerer Strukturen ohne Rückstände, so dass kein Schleifen oder Polieren erforderlich ist. Außerdem funktioniert die Methode bei so gut wie jedem Material, einschließlich Teilen aus gemischten Materialien wie Polymer-/Metallschichten – siehe Abbildung. 

Abbildung 2. Femtosekundenlaser können praktisch alle Materialien mit hervorragender Kantenqualität schneiden, ohne dass Material nachgeformt wird.

Miniaturisierte Werkstücke mit feineren Details (z. B. Streben)

Der Hauptgrund für die zunehmende Verbreitung der fs-Laserbearbeitung in jüngster Zeit ist die Nachfrage nach medizinischen Geräten (z. B. periphere Stents, Hypotubes, minimal-invasive Instrumente usw.), die sich durch kleinere, dünnwandigere Komponenten mit einer größeren Anzahl von Schnittdetails auszeichnen. Dies gilt insbesondere für die Nachfrage nach Maschinen, die für Rohrschneidegeometrien wie in der Abbildung oben konfiguriert sind. Darüber hinaus ist die Verwendung von anspruchsvolleren und teureren Materialien ein weiterer Faktor. Ein Beispiel sind bioresorbierbare Stents aus Magnesium, bei denen die Nachbearbeitung nach dem Einsatz von Faserlasern die Ausbeute auf 50 % senken kann, während beim Femtosekundenschneiden keine Nachbearbeitung erforderlich ist. Auch andere Industrien (z. B. Bildschirme/Elektronik) bewegen sich auf diese Technologie zu, was eine zusätzliche Marktnachfrage schafft und den Laserherstellern einen weiteren Anreiz bietet, fortschrittliche fs-Laser und Maschinen zu entwickeln.

Fortschritte bei fs-Lasern – Höhere Leistung, niedrigere Kosten pro Watt

Femtosekundenlaser haben in der Tat einen neuen Reifegrad in Bezug auf Leistung, Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit erreicht. Die Leistung ist ein besonders wichtiger Parameter, da sie direkt den Durchsatz bestimmt. Ein Beispiel für die nächste Generation von fs-Lasern ist die Monaco-Serie von Coherent, deren maximale Leistung in dem von der Tabelle erfassten Zeitraum sukzessive von weniger als 20 W auf über 60 W erhöht wurde. Auch die Kosten pro Watt für die meisten Femtosekundenlaser sind kürzlich gesunken. So können diese Laser einen höheren Durchsatz bei gleichzeitig niedrigeren Kosten pro Teil liefern. Frühe Monaco-Modelle sind seit einigen Jahren in anspruchsvollen Produktionsumgebungen rund um die Uhr im Einsatz. Dies unterstreicht die erhöhte Zuverlässigkeit der fs-Laser, die auch zu den niedrigeren Gesamtbetriebskosten beiträgt. Zusammen mit den Kosteneinsparungen durch den Wegfall mechanischer Nachbearbeitungsschritte hat dies definitiv zu einem wirtschaftlichen Wendepunkt für verschiedene Präzisionsschneideaufgaben geführt. 

Rationalisierte, automatisierte Maschinen

Natürlich wollen die meisten Hersteller von medizinischen Geräten keinen Laser, sondern eine komplette Lasermaschine. Und der letzte Teil des Bildes ist die Verfügbarkeit von fortschrittlichen fs-Lasermaschinen mit optimierter automatischer Teilehandhabung und -inspektion. Dazu gehört auch eine einfach zu bedienende Software, die keine umfangreiche Schulung oder Fachkenntnisse erfordert. Dies bietet dem Benutzer die Flexibilität, schnell zwischen kleinen Chargen verschiedener Geräte zu wechseln oder lange unbeaufsichtigte Durchläufe von Komponenten mit höherem Volumen durchzuführen. Ein Beispiel ist die StarCut Tube-Serie von Coherent, die unsere neueste Betriebssoftware enthält: Coherent Laser FrameWork.

Fazit: Faser, fs-Laser oder beides?

Eine der größten Fragen für jeden MDM-Anwender, der heute eine neue Maschine erwirbt, ist die Wahl zwischen fs und Faserlaser. Der verbleibende Hauptvorteil des Faserlasers besteht darin, dass er aufgrund seiner höheren verfügbaren Leistung schneller schneiden kann und dickere Teile schneiden kann. Bei dünneren Teilen werden die Leistungs- und Geschwindigkeitsvorteile jedoch oft reduziert, da die Wiederholrate gesenkt und kumulative thermische Schäden vermieden werden müssen. Unterm Strich hängt die Wahl des optimalen Lasertyps also wirklich von den Besonderheiten der Anwendung ab. 

Dies ist ein Grund, warum die neuesten Lasermaschinen zum Schneiden medizinischer Geräte jetzt wahlweise mit fs oder Faserlaser oder als Hybridoption mit beiden Lasern erhältlich sind. Mit der letztgenannten Option können Benutzer nahtlos zwischen den Lasern wechseln, selbst bei einem einzigen Auftrag, bei dem es Schnitte geben kann, die mit einem Faserlaser wirtschaftlicher als mit einem fs-Laser ausgeführt werden können und umgekehrt.

Lesen Sie mehr darüber, wie der Coherent StarCut Tube Hybrid Motion Dynamics geholfen hat das Laserschneiden für neurologische Unterbaugruppen zu nutzen.

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